Go 中闭包的底层原理

2024-04-02 19:55

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1. 什么是闭包?

一个函数内引用了外部的局部变量，这种现象，就称之为闭包。

例如下面的这段代码中，adder 函数返回了一个匿名函数，而该匿名函数中引用了 adder 函数中的局部变量 sum ，那这个函数就是一个闭包。


package main 
 
import "fmt" 
 
func adder() func(int) int { 
    sum := 0 
    return func(x int) int { 
        sum += x 
        return sum 
    } 
}

而这个闭包中引用的外部局部变量并不会随着 adder 函数的返回而被从栈上销毁。

我们尝试着调用这个函数，发现每一次调用，sum 的值都会保留在闭包函数中以待使用。


func main() { 
     valueFunc:= adder() 
     fmt.Println(valueFunc(2))     // output: 2 
     fmt.Println(valueFunc(2))   // output: 4 
}

2. 复杂的闭包场景

写一个闭包是比较容易的事，但单单会写简单的闭包函数，还远远不够，如果不搞清楚闭包真正的原理，那很容易在一些复杂的闭包场景中对函数的执行逻辑进行误判。

别的不说，就拿下来这个例子来说吧?

你觉得它会打印什么呢?

是 6 还是 11 呢?


import "fmt" 
 
func func1() (i int) { 
    i = 10 
    defer func() { 
        i += 1 
    }() 
    return 5 
} 
 
func main() { 
    closure := func1() 
    fmt.Println(closure) 
}

3. 闭包的底层原理?

还是以最上面的例子来分析


package main 
 
import "fmt" 
 
func adder() func(int) int { 
    sum := 0 
    return func(x int) int { 
        sum += x 
        return sum 
    } 
} 
 
func main() { 
    valueFunc:= adder() 
    fmt.Println(valueFunc(2))     // output: 2 
}

我们先对它进行逃逸分析，很容易发现 sum 作为 adder 函数局部变量，并不是分配在栈上，而是分配在堆上的。

这就解决了第一个疑惑：为什么 adder 函数返回后， sum 不会随之销毁?


$ go build -gcflags="-m -m -l" demo.go 
# command-line-arguments 
./demo.go:8:3: adder.func1 capturing by ref: sum (addr=true assign=true width=8) 
./demo.go:7:9: func literal escapes to heap: 
./demo.go:7:9:   flow: ~r0 = &{storage for func literal}: 
./demo.go:7:9:     from func literal (spill) at ./demo.go:7:9 
./demo.go:7:9:     from return func literal (return) at ./demo.go:7:2 
./demo.go:6:2: sum escapes to heap: 
./demo.go:6:2:   flow: {storage for func literal} = &sum: 
./demo.go:6:2:     from func literal (captured by a closure) at ./demo.go:7:9 
./demo.go:6:2:     from sum (reference) at ./demo.go:8:3 
./demo.go:6:2: moved to heap: sum 
./demo.go:7:9: func literal escapes to heap 
./demo.go:15:23: valueFunc(2) escapes to heap: 
./demo.go:15:23:   flow: {storage for ... argument} = &{storage for valueFunc(2)}: 
./demo.go:15:23:     from valueFunc(2) (spill) at ./demo.go:15:23 
./demo.go:15:23:   flow: {heap} = {storage for ... argument}: 
./demo.go:15:23:     from ... argument (spill) at ./demo.go:15:13 
./demo.go:15:23:     from fmt.Println(valueFunc(2)) (call parameter) at ./demo.go:15:13 
./demo.go:15:13: ... argument does not escape 
./demo.go:15:23: valueFunc(2) escapes to heap

可另一个问题，又浮现出来了，就算它不会销毁，那闭包函数若是存储的若是 sum 拷贝后的值，那每次调用闭包函数，里面的 sum 应该都是一样的，调用两次都应该返回 2，而不是可以累加记录。

因此，可以大胆猜测，闭包函数的结构体里存储的是 sum 的指针。

为了验证这一猜想，只能上汇编了。

通过执行下面的命令，可以输出对应的汇编代码


go build -gcflags="-S" demo.go

输出的内容相当之多，我提取出下面最关键的一行代码，它定义了闭包函数的结构体。

其中 F 是函数的指针，但这不是重点，重点是 sum 存储的确实是指针，验证了我们的猜。


type.noalg.struct { F uintptr; "".sum *int }(SB), CX

4. 迷题揭晓

有了上面第三节的背景知识，那对于第二节给出的这道题，想必你也有答案了。

首先，由于 i 在函数定义的返回值上声明，因此根据 go 的 caller-save 模式， i 变量会存储在 main 函数的栈空间。

然后，func1 的 return 重新把 5 赋值给了 i ，此时 i = 5

由于闭包函数存储了这个变量 i 的指针。

因此最后，在 defer 中对 i 进行自增，是直接更新到 i 的指针上，此时 i = 5+1，所以最终打印出来的结果是 6


import "fmt" 
 
func func1() (i int) { 
    i = 10 
    defer func() { 
        i += 1 
    }() 
    return 5 
} 
 
func main() { 
    closure := func1() 
    fmt.Println(closure) 
}

5. 再度变题

上面那题听懂了的话，再来看看下面这道题。

func1 的返回值我们不写变量名 i 了，然后原先返回具体字面量，现在改成变量 i ，就是这两小小小的改动，会导致运行结果大大不同，你可以思考一下结果。


import "fmt" 
 
func func1() (int) { 
    i := 10 
    defer func() { 
        i += 1 
    }() 
    return i 
} 
 
func main() { 
    closure := func1() 
    fmt.Println(closure) 
}

如果你在返回值里写了变量名，那么该变量会存储 main 的栈空间里，而如果你不写，那 i 只能存储在 func1 的栈空间里，与此同时，return 的值，不会作用于原变量 i 上，而是会存储在该函数在另一块栈内存里。

因此你在 defer 中对原 i 进行自增，并不会作用到 func1 的返回值上。

所以打印的结果，只能是 10。

你答对了吗?